EP0036186A2 - Verfahren zur Impulsanregung eines piezoelektrischen Schall-Sendewandlers - Google Patents

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EP0036186A2
EP0036186A2 EP81101838A EP81101838A EP0036186A2 EP 0036186 A2 EP0036186 A2 EP 0036186A2 EP 81101838 A EP81101838 A EP 81101838A EP 81101838 A EP81101838 A EP 81101838A EP 0036186 A2 EP0036186 A2 EP 0036186A2
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EP
European Patent Office
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voltage
transducer
amplitude
pulse
excitation
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EP81101838A
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English (en)
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EP0036186B1 (de
EP0036186A3 (en
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Peter Dipl.-Phys. Kleinschmidt
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of EP0036186A3 publication Critical patent/EP0036186A3/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/0207—Driving circuits
    • B06B1/0215—Driving circuits for generating pulses, e.g. bursts of oscillations, envelopes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523—Details of pulse systems
    • G01S7/524—Transmitters

Definitions

  • the present invention relates to a method for a piezoelectric sound transducer for pulsed transmission excitation, as indicated in the preamble of claim 1 and 2, respectively.
  • the invention is based on the knowledge that an ultrasonic transducer operated at its resonance frequency may only be operated with an amplitude-limited alternating voltage without endangering its mechanical stability.
  • the invention is based on the finding that a piezoceramic transducer which, when excited in the series resonance, can only be operated with an alternating voltage with a peak value of at most U max without being endangered, on the other hand without damage with a single voltage jump which is a multiple of the peak value U max is allowed to be excited.
  • the voltage of this voltage jump may be chosen so high that the one with this unique electrical excitation of the transducer mechanical deflection amplitude A max is reached, which is equal to the maximum permissible mechanical vibration amplitude of the transducer and can be maximally generated in response to AC excitation or periodic pulse excitation with a peak value U max after the transient process has ended.
  • the transducer is provided with a DC voltage prior to the excitation of the converter with an AC voltage or a pulse train, which is associated with an abrupt drop in DC voltage.
  • this DC voltage to be applied to the converter can be a voltage increase in the manner of a sawtooth pulse with a then rapid voltage drop.
  • the voltage rise need not be linear; it only has to be ensured that the mechanical deflection of the transducer can follow the electrical voltage rise, so that the maximum of the mechanical deflection occurring due to the direct voltage corresponds to the maximum of the applied voltage.
  • the other secondary solution is to use a square-wave pulse with a (mean) pulse width ⁇ / 2 as the DC voltage to be applied, where t is the period of the subsequent AC voltage or periodic pulse train of the transmission mode.
  • a relatively rapid voltage drop must be provided within a period of ⁇ t ⁇ / 2, the middle of this period being ⁇ t, i.e. the time of the rapid voltage drop (the sawtooth pulse of one solution and the rectangular pulse of the other solution) is half a period, namely ⁇ / 2 before the time of the increase in the amplitude of the exciting AC voltage or the periodic pulse sequence.
  • the transmission excitation of the converter with the alternating voltage or the periodic pulse sequence takes place on one of the natural resonances of the converter, the natural resonance with the greatest transmission effect being used as a rule for this.
  • a mechanical deflection of the transducer which is at least approximately the same as the vibration deflection of the transducer in the steady state, is thus generated in both alternatives with the aid of the previously applied DC voltage.
  • the DC voltage causes one compared to the mechanical rest position (without applied voltage) of the converter One-way deflection (as opposed to two-way deflection in the transmit vibration state). Electrically, this application of a DC voltage to the converter according to the invention acts like charging the essentially electrical capacitance of this converter, specifically via the inevitable resistance of the voltage source.
  • U 1 is the maximum of the negative to positive peak value of the exciting transmission AC voltage or the total pulse height of the exciting periodic transmission pulse train. If these quantities are not determined by calculation (in advance), these values can be determined experimentally for a particular converter type.
  • the DC voltage to be applied according to the invention is advisable in cases where the electrical breakdown voltage of the piezoelectric material of the transducer should be exceeded with U o .
  • the rapid decay of the DC voltage to be applied according to the invention can be brought about with the aid of an electrical short circuit between the electrodes of the converter. This short circuit lasts a maximum of half a resonance oscillation period ⁇ / 2 of the subsequent AC excitation.
  • the peculiarity of the measure according to the invention of the rapid voltage drop is that this does not only result in one Decrease in the DC-induced deflection of the transducer from its idle state, but leads to a mechanical overshoot, namely with the frequency of the transducer’s natural resonance.
  • the electrical excitation alternating voltage for the transmission mode is accordingly switched on in terms of its phase position in such a way that the aforementioned mechanical overshoot and the subsequent periodic mechanical oscillation excitation by the excitation alternating voltage of the transmission mode are at least largely in phase; this means that the excitation alternating voltage or the periodic pulse sequence must start with the specified phase as indicated.
  • the increase 2 of the sawtooth pulse 1 is relatively flat in comparison to its rapid decrease 3, which is essential to the invention, and the shape of the course of this increase over time is of secondary importance (as long as the maximum deflection is actually at least largely achieved).
  • impulse 1 With impulse 1 a prak complete mechanical deflection of the transducer is achieved.
  • the curve 12 shows the mechanical deflection associated with the voltage increase 2 up to the value of the maximum deflection denoted by 14.
  • the rapid voltage drop 3 leads to the decrease in the deflection designated 13 with subsequent overshoot going in the opposite direction up to the amplitude 15.
  • the amplitude 15, calculated from the voltage drop 3, is reached after a time ⁇ / 2, in which T is the already mentioned period is the natural resonance of the transducer and that of the excitation alternating voltage 7. It is optimal to have the excitation alternating voltage 7 inserted at the converter exactly at the time the amplitude 15 is reached.
  • this excitation alternating voltage 7 is a periodic pulse sequence as mentioned above.
  • the applied pulse sequence 7 leads to the mechanical vibrations of the transducer shown with the amplitudes 17 and 117, namely with the initial amplitude 17 achieved according to the invention.
  • the illustration in FIG. 1 contains the optimal phase relationships of the exciting AC voltage 7 and mechanical vibration deflection 17, 117 for the invention of the converter.
  • the pulse width of the pulse 21 is at least approximately ⁇ / 2.
  • an amplitude U o ⁇ U o / 2 is to be provided for the rectangular pulse 21 which, due to the overshoot, brings the transducer to an initial amplitude 24 which is practically the same as the amplitude 14 of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows an electronic circuit for an ultrasonic transducer 30, which works without a transformer.
  • the connection for the DC voltage U of the DC voltage provided according to the invention is designated.
  • the DC voltage connection for the operating voltage U 1 of the actual excitation circuit is designated.
  • the voltage amplitude U 1 is equal to the peak value of the above-mentioned periodic alternating excitation voltage on the converter 30.
  • 33 denotes the input of the circuit to which the excitation frequency clock signal made 34 is to be applied.
  • the remaining elements of the circuit according to FIG. 3 are indicated by the internationally known symbols in a manner that the person skilled in the art can understand.
  • the voltage-time diagram of the total voltage U a applied to the converter 30 is designated by 35, an operation according to FIG. 1 resulting.
  • FIG. 4 shows a second excitation circuit which has a transformer 46 for the converter 30. Instead of the converter capacitance, an auxiliary capacitor 48 is set here to the value increased operating voltage U o charged.
  • FIG. 4 reference is made to the description of FIG referred. 4 (in comparison to 35) in FIG. 4 is a voltage-time diagram for the voltage applied to the converter 30.
  • a DC voltage rectangular pulse 21 is generated in accordance with the variant according to FIG. 2, which is transmitted from the transformer 46 to the converter 30.
  • FIG. 5 shows a further excitation circuit for the first variant according to FIG. 1.
  • the compared to the operating voltage U1 by a factor Larger voltage U o for the DC voltage pulse provided according to the invention is obtained here from the magnetic energy stored in the inductance of the transmitter 46.
  • this transformer 46 is dimensioned with respect to its inductance so that its magnetic core when the operating voltage U 1 is present after a period of not yet or just not yet saturated.
  • the transformer 46 If the transformer 46 is separated from the operating voltage by means of the transistor 49 acting as a switch, the current surge exceeding the peak value of the operating current by a factor of Q m flows into the converter 30 and thus causes the DC voltage excitation U o provided according to the invention and preceding the operational AC excitation the result of immediate full amplitude 24 of the mechanical deflection. This deflection then merges with the resonance oscillation deflection of this full oscillation amplitude 17, 117 as in the previous variants.
  • 5a shows the control voltage 134 to be applied to the input 33 in this circuit, which consists of a rectangular pulse portion 34 as in the circuits of FIGS. 3 and 4 and a further portion 234, -, - 334.
  • a pulse component follows 234 with constant amplitude, which at the time of the desired voltage drop 3 passes into the already mentioned pulse portion 34 with a corresponding drop 434 of the control voltage.
  • FIG. 5b shows the current I C plotted on the ordinate on the ordinate through the transistor 49 and through the primary coil of the transformer 46.
  • the portion 234 and 334 of the control voltage according to FIG. 5a corresponds to an increase in presaturation 146 of the magnetic core of the transformer 46.
  • With 246 shows a rapid drop in the current I C , which then changes into a triangular current sequence with the period ⁇ .
  • 5c and 5b show the electrical voltage applied to the converter 30 over the period of time with the rectangular pulse 57 according to the invention as the DC voltage pulse 21 to be temporarily applied according to the invention and the pulse sequence 55 corresponding to the AC excitation 7.
  • FIG. 6 shows a circuit for the first variant with a slowly increasing DC voltage 1.
  • a thyristor is designated by 61, whose controllable short-circuit behavior generates the rapid voltage drop 3.
  • the electrical capacitance of converter 30 is charged to DC voltage via series resistor 62.
  • the gate circuit 63 eg CD 4009 controls thyristor 61 (eg BBC type C5-12902).
  • the voltage drop 3 already mentioned takes place by the amount U o .
  • the input 64 of the circuit is like from the Diagram 6b shows the time-dependent voltage U w applied.
  • this voltage U w has the value U 1 as indicated (as already discussed above).
  • the periodic pulse sequence 7' begins, as can be seen in particular from FIG. 6b.
  • the pulse heights are again U 1 ; compared to the previous examples, these are only negative impulses.
  • FIG. 6b also shows the optimal phase relationship between the input voltage U e (FIG. 6a) and the pulse train U w , ie between the sudden voltage drop 3 of the DC voltage excitation 1 according to the invention and the excitation AC voltage 7.

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Abstract

Anwendung einer Voranregungsspannung (1), um den Sendewandler schon mit der ersten Periode (13) der eigentlichen Wechselspannungs-Anregung sofort auf wenigstens nahezu die volle Sende-Schwingungsamplitude (17) zu bringen, womit ein definierter Sende-Impulsanfang gegeben ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für einen piezoelektrischen Schallwandler zur impulsweisen Sendeanregung, wie dies im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 angegeben ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, das von einem Impulssignal für Entfernungsmessungen zu verwenden. Es werden dazu kurze Ultraschallimpulse ausgesendet und das Echosignal aufgenommen und ausgewertet. Die Entfernung eines den Ultraschall reflektierenden Objektes ergibt sich aus der Laufzeit der Ultraschallwellen dieses Impulses.
  • Bei kurzen Entfernungen, bei denen die Laufzeit nicht mehr um wenigstens eine Größenordnung größer als die Impulsdauer des Ultraschall-Sendesignals des piezoelektrischen Wandlers ist, ergeben sich Schwierigkeiten für eine genaue Bestimmung dieser Laufzeit, da der Einsatzzeitpunkt des Sendeschallimpulses nicht beliebig genau festzulegen ist.
  • Bislang wurde dieses Problem durch besondere Auswerteverfahren gelöst. Ist die Funktion des Anklingens des Ultraschall-Sendeimpulses bekannt, so kann durch mathematische Extrapolation der Hüllkurve des empfangenen Signals der Echobeginn nachträglich einigermaßen genau bestimmt werden. Dieses Verfahren einer Rückextrapolation setzt jedoch die Speicherung des Empfangssignals voraus und ist somit von vornherein aufwendig.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für den Betrieb eines piezoelektrischen Ultraschallwandlers einen Sendewandler für insbesondere kurze Entfernungen ein solches Betriebsverfahren anzugeben, mit dem der Einsatzzeitpunkt des Sende-Schallimpulses in einfacher Weise genau festliegt.
  • Diese Aufgabe wird für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 bzw. 2 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Die Erfindung geht von dem Wissen aus, daß ein auf seiner Resonanzfrequenz betriebener Ultraschall-Wandler ohne Gefährdung seiner mechanischen Stabilität nur mit einer in der Amplitude begrenzten Wechselspannung betrieben werden darf. Beim Einschalten dieser Wechselspannung steigt die Schwingungsamplitude des Wandlers jedoch lediglich mit einer Zeitkonstanten 9, die entsprechend der Beziehung 9 = Qm·τ von der Resonanzgüte des Wandlers abhängt, von einem Anfangswert A1= Amax/Qmauf den Endwert Amax, der z.B. die maximal zulässige mechanische Amplitude des betreffenden Wandlers ist.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein piezokeramischer Wandler, der bei Anregung in der Reihenresonanz ohne Gefährdung nur mit einer Wechselspannung mit einem Scheitelwert von höchstens Umax betrieben werden darf, andererseits ohne Beschädigung mit einem einmaligen Spannungssprung, der ein Vielfaches des Scheitelwertes Umax beträgt, angeregt werden darf. Die Spannung dieses Spannungssprunges darf dabei ohne weiteres so hoch gewählt werden, daß bereits mit dieser einmaligen elektrischen Anregung des Wandlers diejenige mechanische Auslenkungsamplitude Amax erreicht wird, die gleich der maximal zulässigen mechanischen Schwingungsamplitude des Wandlers ist und in Resonanz bei Wechselspannungsanregung bzw, periodischer Impulsanregung mit einem Scheitelwert Umax nach Ablauf des Einschwingvorganges maximal erzeugt werden kann.
  • Gemäß dem Erfindungsprinzip ist eine der Anregung des Wandlers mit einer Wechselspannung bzw. Impulsfolge vorausgehende Beaufschlagung dieses Wandlers mit einer Gleichspannung verbunden mit einem sprungweisen Gleichspannungsabfall vorgesehen. Gemäß den einander nebengeordneten Lösungen dieses Prinzips kann diese an den Wandler anzulegende Gleichspannung ein Spannungsanstieg nach Art eines Sägezahnimpulses mit dann raschem Spannungsabfall sein. Der Spannungsanstieg braucht keineswegs linear zu sein; es muß nur sichergestellt sein, daß die mechanische Auslenkung des Wandlers dem elektrischen Spannungsanstieg folgen kann, so daß das Maximum der durch die Gleichspannung auftretenden mechanischen Auslenkung dem Maximum der angelegten Spannung entspricht. Die andere nebengeordnete Lösung ist, als anzulegende Gleichspannung einen Rechteckimpuls mit einer (mittleren) Impulsbreite τ/2 zu verwenden, worin t die Periodendauer der nachfolgend anzuschaltenden Wechselspannung bzw. periodischen Impulsfolge des Sendebetriebs ist. Bei beiden Lösungswegen ist ein relativ rascher Spannungsabfall innerhalb eines Zeitraumes von Δt<τ/2 vorzusehen, wobei die Mitte dieses Zeitraumes Δt, d.h. der Zeitpunkt des raschen Spannungsabfalles (des Sägezahnimpulses der einen Lösung und des Rechteckimpulses der anderen Lösung) eine halbe Periodendauer, nämlichτ/2 vor dem Zeitpunkt des Anstiegs der Amplitude der anregenden Wechselspannung bzw. der periodischen Impulsfclge, liegt.
  • Für die erste der nebengeordneten Alternativen ist für den Sägezahnimpuls ein Umax = Uo vorzusehen, wobei Uo derjenige Spannungswert ist, bei dem der Wandler seine maximal zulässige mechanische Auslenkung (im Gleichstromfall) erreicht. Im Falle der zweiten Alternative ist die maximal mögliche Amplitude Umax des Reahteckimpulses = Uo/2. Letzteres beruht darauf, daß bei der (der eigentlichen Wechselspannungsanregung erfindungsgemäß vorangehender Gleichstromanregung mit einem Rechteckimpuls der angegebenen Art ein 100prozentiges Überschwingen des mechanischen Wandlers, nämlich auf die gleich hohe Amplitude wie bei der ersten Alternative, eintritt.
  • Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß natürlich auch geringere maximale Spannungen der Gleichspannung der ersten Alternative und des Rechteckimpulses der zweiten Alternative (vorzugsweise bei ebenfalls geringerer Wechselspannungsamplitude des eigentlichen Sendebetriebs) möglich sind, wenn man sich mit geringerer Schall-Sendeleistung zufrieden gibt, als sie der jeweils verwendete Wandler an sich abzugeben vermag.
  • Die Sendeanregung des Wandlers mit der Wechselspannung bzw. der periodischen Impulsfolge erfolgt bekanntlich auf einer der Eigenresonanzen des Wandlers, wobei hierfür im Regelfall die Eigenresonanz mit der größten Sendewirkung herangezogen wird.
  • Gemäß der Erfindung wird somit bei beiden Alternativen mit Hilfe der vorausgehend angelegten Gleichspannung eine mechanische Auslenkung des Wandlers erzeugt, die wenigstens angenähert gleich groß wie die Schwingungsauslenkung des Wandlers im eingeschwungenen Zustand ist. Die Gleichspannung bewirkt gegenüber der mechanischen Ruhelage (ohne anliegende Spannung) des Wandlers eine Auslenkung in einer Richtung (im Gegensatz zur Auslenkung in zwei Richtungen im Sende-Schwingungszustand). Elektrisch wirkt dieses erfindungsgemäße Anlegen einer Gleichspannung an den Wandler wie eine Aufladung der im wesentlichen elektrischen Kapazität dieses Wandlers, und zwar über den unvermeidlichen Widerstand der Spannungsquelle. Die Amplitude der (maximal zulässig) anzulegenden Gleichspannung ist bei der Alternative des Sägezahnimpulses = Uo und bei der Alternative des Rechteckimpulses=Uo/2, wie bereits oben ausgeführt. Es gilt die Beziehung
    Figure imgb0001
    worin U1 das Maximum von negativem bis positivem Scheitelwert der anregenden Sende-Wechselspannung bzw. die Gesamtimpulshöhe der anregenden periodischen Sende-Impulsfolge ist. Sofern diese Größen nicht durch Berechnung (schon im voraus) ermittelt sind, lassen sich diese Werte experimentell für einen jeweiligen Wandlertyp feststellen. Die erfindungsgemäß anzulegende Gleichspannung kleiner als Uo zu wählen, insbesondere der Fall der Anwendung des Rechteckimpulses mit nur Uo/2 anzulegender Gleichspannung, empfiehlt sich in den Fällen, in denen die elektrische Durchschlagsspannung des piezoelektrischen Materials des Wandlers mit Uo überschritten werden sollte. Das rasche Abklingen der erfindungsgemäß anzulegenden Gleichspannung läßt sich mit Hilfe elektrischen Kurzschlusses der Elektroden des Wandlers miteinander bewirken. Dieser Kurzschluß dauert maximal eine halbe Resonanz-Schwingungsperiodeτ/2 der nachfolgenden Wechselspannungsanregung.
  • Die Besonderheit der erfindungsgemäßen Maßnahme des raschen Spannungsabfalls, z.B. des elektrischen Kurzschlusses des Wandlers, ist, daß dies nicht nur zu einem Rückgang der gleichspannungsmäßig bewirkten Auslenkung des Wandlers aus seinem Ruhezustand, sondern zu einem mechanischen Überschwingen, und zwar mit der Frequenz der Eigenresonanz'des Wandlers, führt. Die elektrische Anregungs-Wechselspannung für den Sendebetrieb wird bezüglich ihrer Phasenlage demgemäß derart angepaßt angeschaltet, daß das erwähnte mechanische Überschwingen und die folgende periodische mechanische Schwingungsanregung durch die Anregungs-Wechselspannung des Sendebetriebes wenigstens weitgehend phasenrichtig sind; das bedeutet, daß die Anregungs-Wechselspannung bzw. die periodische Impulsfolge mit wie angegebener bestimmter Phase einsetzen muß.
  • Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung zu bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.
    • Fig.1 zeigen entsprechend den beiden nebengeordneten,
    • und 2 alternativen Lösungen erfindungsgemäß anzulegenden Gleichspannungen.
    • Fig.3 und 6 zeigen Schaltbilder von elektronischen Schal-tungsvarianten zur Realisierung der Erfindung nach der ersten Variante.
    • Fig.4 zeigen Schaltbilder zur zweiten Variante. und 5
  • In Fig.1 ist mit 1 ein Sägezahnimpuls dargestellt. Der Anstieg 2 des Sägezahnimpulses 1 ist vergleichsweise zu seinem erfindungswesentlich raschen Abfall 3 relativ flach und zudem ist die Form des zeitlichen Verlaufs dieses Anstiegs von untergeordneter Bedeutung (solange nur das Auslenkungsmaximum tatsächlich wenigstens weitgehend erreicht wird). Mit dem Impuls 1 wird eine praktisch vollständige mechanische Auslenkung des Wandlers erreicht. Die Kurve 12 zeigt die zum Spannungsanstieg 2 gehörige mechanische Auslenkung bis zu dem mit 14 bezeichneten Wert der maximalen Auslenkung. Der rasche Spannungsabfall 3 führt zu dem mit 13 bezeichneten Rückgang der Auslenkung mit nachfolgendem, in die Gegenrichtung gehenden Überschwingen bis zur Amplitude 15. Die Amplitude 15 wird,vom Spannungsabfall 3 abgerechnet,nach einer Zeit τ/2 erreicht, worin T die bereits erwähnte Periodendauer der Eigenresonanz des Wandlers und die der Anregungswechselspannung 7 ist. Optimal ist es, genau im Zeitpunkt des Erreichens der Amplitude 15 die Anregungswechselspannung 7 am Wandler einsetzen zu lassen. Bei der Fig.1 ist diese Anregungs-Wechselspannung 7 eine wie schon oben erwähnte periodische Impulsfolge. Die anliegende Impulsfolge 7 führt zu den mit den Amplituden 17 und 117 dargestellten mechanischen Schwingungen des Wandlers, nämlich mit der erfindungsgemäß erreichten Anfangsamplitude 17. Die Darstellung der Fig.1 enthält die für die Erfindung optimalen Phasenbeziehungen von anregender Wechselspannung 7 und mechanischer Schwingungsauslenkung 17, 117 des Wandlers.
  • Fig.2 zeigt einen Rechteckimpuls 21, der einen vergleichsweise zur Fig.1 raschen Anstieg 22 hat. Erfindungsgemäß wichtig ist jedoch der ebenfalls wieder rasche Spannungsabfall 23, der ebenso wie beim Beispiel der Fig.1 zu einem Zeitpunkt d/2 vor dem Einsetzen der Wechselspannung 7 erfolgt. Die Impulsbreite des Impulses 21 beträgt wenigstens angenähert τ/2. Wie bereits oben erläutert, ist für den Rechteckimpuls 21 eine Amplitude Uo≈Uo/2 vorzusehen, die infolge des Überschwingens den Wandler auf eine Anfangsamplitude 24 bringt, die praktisch gleich hoch der Amplitude 14 der Fig.1 ist. Entsprechend dem Rechteckimpuls 21 ergibt sich ein zunächst weitgehend nicht sinusförmiger Anfangsanstieg 12 der mechanischen Auslenkung.
  • Bezüglich weiterer erläuternder Einzelheiten der Erfindung sei ausdrücklich auf die Darstellung der Fig.1 und 2 hingewiesen.
  • Fig.3 zeigt eine elektronische Schaltung für einen Ultraschallwandler 30, die ohne Transformator arbeitet. Mit 31 ist der Anschluß für die Gleichspannung U der erfindungsgemäß vorgesehenen Gleichspannung bezeichnet. Mit 32 ist der Gleichspannungsanschluß für die Betriebsspannung U1 der eigentlichen Anregungsschaltung bezeichnet. Die Spannungsamplitude U1 ist gleich dem Scheitelwert der oben erwähnten periodischen Anregungswechselspannung an dem Wandler 30. Die an 31 anliegende Gleichspannung Uo ist erfindungsgemäß sehr viel größer als die Spannungsamplitude U1, vorzugsweise ist die Bemessung Uo = Qm·U1, worin Qm der oben bereits erwähnte typenbedingte mechanische Betriebsgütewert des Wandlers 30 ist. Mit 33 ist der Eingang der Schaltung bezeichnet, an die das mit 34-deutlich gemachte Taktsignal der Anregungsfrequenz anzulegen ist.
  • Die übrigen Elemente der Schaltung nach Fig.3 sind durch international bekannte Symbole für den Fachmann voll verständlich angegeben. Mit 35 ist das Spannungs-Zeit-Diagramm der am Wandler 30 anliegenden Gesamtspannung Ua bezeichnet, wobei sich ein Betrieb nach Fig.1 ergibt.
  • Mit Fig.4 wird eine zweite Anregungsschaltung wiedergegeben, die einen Transformator 46 für den Wandler 30 hat. Statt der Wandlerkapazität wird hier ein Hilfskondensator 48 auf die um den Wert
    Figure imgb0002
     erhöhte Betriebsspannung Uo aufgeladen. Bezüglich der weiteren Einzelheiten der Fig.4 sei auf die Beschreibung zur Fig.3 verwiesen. Mit 45 ist in Fig.4 (vergleichsweise zu 35) ein Spannungs-Zeit-Diagramm für die am Wandler 30 anliegende Spannung angegeben. Bei Betrieb der Schaltung nach Fig.4 wird entsprechend der Variante gemäß Fig.2 ein Gleichspannungs-Rechteckimpuls 21 erzeugt, der von dem Transformator 46 an den Wandler 30 übertragen wird.
  • Fig.5 zeigt eine weitere Anregungsschaltung zur ersten Variante gemäß Fig.1. Die gegenüber der Betriebsspannung U1 um den Faktor
    Figure imgb0003
     größere Spannung Uo für den erfindungsgemäß vorgesehenen Gleichspannungsimpuls wird hier aus der in der Induktivität des Übertragers 46 gespeicherten magnetischen Energie gewonnen. Dazu wird dieser Übertrager 46 bezüglich seiner Induktivität so bemessen, daß sein Magnetkern bei Anliegen der Betriebsspannung U1 nach einer Zeitdauer von
    Figure imgb0004
     noch nicht oder gerade noch nicht in die Sättigung kommt. Wird der Übertrager 46 mittels des als Schalter wirkenden Transistors 49 von der Betriebsspannung getrennt, fließt der den Scheitelwert des Betriebsstromes um den Faktor Qm übertreffende Stromstoß in den Wandler 30 und bewirkt damit die gemäß der Erfindung vorgesehene, der betriebsmäßigen Wechselspannungsanregung vorausgehende Gleichspannungsanregung Uo mit dem Ergebnis sofortiger voller Amplitude 24 der mechanischen Auslenkung. Diese Auslenkung geht wie bei den vorangehenden Varianten dann in die Resonanzschwingungsauslenkung dieser vollen Schwingungsamplitude 17, 117 über.
  • Zur Schaltung nach Fig.5 zeigt 5a die bei dieser Schaltung an den Eingang 33 anzulegende Steuerspannung 134, die aus einem Rechteckimpulsanteil 34 wie bei den Schaltungen der Fig.3 und 4 und aus einem weiteren Anteil 234,-,-334 besteht. Nach einem vergleichsweise zum Rechtecksignal 34 langsamen Anstieg 334 folgt ein Impulsanteil 234 mit konstanter Amplitude,der im Zeitpunkt des gewünschten Spannungsabfalls 3 mit einem entsprechenden Abfall 434 der Steuerspannung in den bereits erwähnten Impulsanteil 34 übergeht.
  • Fig.5b zeigt zu Fig.5a auf der Ordinate aufgetragen den Strom IC durch den Transistor 49 und durch die Primärspule des Übertragers 46. Dem Anteil 234 und 334 der Steuerspannung nach Fig.5a entspricht ein Vorsättigungsanstieg 146 des Magnetkerns des Übertragers 46. Mit 246 ist ein rascher Abfall des Stromes IC wiedergegeben, der dann in eine Dreiecks-Stromfolge mit der Periode τ übergeht.
  • Fig. 5c zeigt zu den Fig.5a und 5b die über die Zeitdauer hinweg am Wandler 30 anliegende elektrische Spannung mit dem erfindungsgemäßen Rechteckimpuls 57 als erfindungsgemäß vorübergehend anzulegender Gleichspannungsimpuls 21 und die der Wechselspannungsanregung 7 entsprechende Impulsfolge 55.
  • Fig.6 zeigt noch eine Schaltung zur ersten Variante mit langsam-ansteigender Gleichspannung 1. Mit 61 ist ein Thyristor bezeichnet, dessen steuerbares Kurzschlußverhalten den raschen Spannungsabfall 3 erzeugt. Bei anliegender Spannung Uo wird die elektrische Kapazität des Wandlers 30 über den Vorschaltwiderstand 62 auf die Gleichspannung aufgeladen. Im Augenblick des Eingangs eines Spannungssprunges Ue am Eingang 65 - siehe auch das Diagramm 6a - erfolgt über die Gatterschaltung 63 (z.B. CD 4009) die Ansteuerung des Thyristors 61 (z.B.. BBC Typ C5-12902). Es erfolgt der bereits erwähnte Spannungsabfall 3 um den Betrag Uo.
  • An den Eingang 64 der Schaltung wird eine wie aus dem Diagramm 6b ersichtliche zeitabhängige Spannung Uw angelegt. Während des Zeitpunkts des vorangehend angegebenen Spannungsabfalls hat diese Spannung Uw den wie angegebenen Wert U1 (wie er oben bereits erörtert ist). Zum Zeitpunkt'C/2 nach dem Spannungsabfall setzt die periodische Impulsfolge 7' ein, wie sie insbesondere aus Fig.6b zu ersehen ist. Die Impulshöhen betragen wieder U1; vergleichsweise zu den vorangehenden Beispielen sind dies hier lediglich negative Impulse.
  • Die Darstellung der Fig.6b gibt auch die optimale Phasenbeziehung zwischen der Eingangsspannung Ue (Fig.6a) und der Impulsfolge Uw, d.h. zwischen dem sprunghaften Spannungsabfall 3 der erfindungsgemäßen Gleichspannungsanregung 1 und der Anregungswechselspannung 7, wieder.

Claims (7)

1. Verfahren für einen piezoelektrischen Schallwandler zur impulsweisen, mit einer elektrischen Wechselspannung mit einer Frequenz, die gleich der Eigenresonanz des Wandlers ist, durchzuführenden Sendeanregung mit definierbarem Impulszeitpunkt, gekennzeichnet dadurch, daß zum Erreichen einer mechanischen Anfangsschwingung (17) des Wandlers, die bereits im wesentlichen gleich der vollen Amplitude (117) des eingeschwungenen Zustands ist, das vorübergehende Anlegen einer Gleichspannung (1) an den Schallwandler (30) vorgesehen ist, und zwar mit einem nach Spannungsanstieg -(-2) erfolgendem raschen Spannungsabfall (3) dieser Gleichspannung (1) am Wandler (30), wobei der Spannungsabfall (3) in einem Zeitraum Δt<τ/2 erfolgt, worin τ die Periodendauer der anregenden Wechselspannung (7) ist und der Beginn des Spannungssbfalls (3; 23) wenigstens angenähert zum Zeitpunkt einer halben Periodendauer τ/2 vor dem Zeitpunkt des Anstiegs der Amplitude der anregenden Wechselspannung (7) liegt, und mit wenigstens angenähert einer solchen Amplitude (Uo) der Gleichspannung (1) am Wandler (30), mit der dieser Wandler (30) eine Amplitude (14) der mechanischen Auslenkung erhält, die der Schwingungsamplitude (117) des eingeschwungenen Wechselspannungs-Anregungszustands ist (Fig.1 ).
2. Verfahren für einen piezoelektrischen Schallwandler zur impulsweisen, mit einer elektrischen Wechselspannung mit einer Frequenz, die gleich der Eigenresonanz des Wandlers ist, durchzuführenden Sendeanregung mit definierbarem Impulszeitpunkt, gekennzeichnet dadurch, daß zum Erreichen einer mechanischen Anfangsschwingung (17) des Wandlers, die bereits im wesentlichen gleich der vollen Amplitude (117) des eingeschwungenen Zustands ist, das vorübergehende Anlegen eines Gleichspannungsimpulses (21) an den Schallwandler (30) vorgesehen ist, und zwar mit einem raschen Spannungsanstieg (22) und einem raschen Spannungsabfall (23) am Wandler (30), wobei sowohl der Spannungsanstieg (22) als auch der Spannungsabfall (23) jeweils in einem Zeitraum Δt<τ/2 erfolgen, worin τ die Periodendauer der anregenden Wechselspannung (7) ist, und der Beginn der Spannungsabfalls wenigstens angenähert zum Zeitpunkt einer halben Periodendauer (τ/2) vor dem Zeitpunkt des Anstiegs der Amplitude der anregenden Wechselspannung (7) liegt und die Impulsbreite wenigstens angenähert τ/2 beträgt, und mit wenigstens angenähert einer solchen Amplitude (U'o) des Gleichspannungsimpulses (21) am Wandler (30), mit der dieser Wandler (30)'eine Amplitude (24) der mechanischen Auslenkung erhält, die der Schwin- .gungsamplitude (117) des eingeschwungenen Wechselspannungs-Anregungszustands ist (Fig.2).
3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die vorübergehend anzulegende Gleichspannung ein Sägezahnimpuls ist, dessen Maximalspannungswert wenigstens angenähert = U ist und dessen Anstiegsdauer vielfach länger als die Periodendauer ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Amplitude der Gleichspannung (1) wenigstens 70% der Amplitude U beträgt, mit der die vorgesehene Auslenkung (14) des eingeschwungenen Zustands (117) erreicht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Dauer (Q) des Anstiegs (2) der Gleichspannung (1) etwa θ = Qm·τ beträgt, worin Qm der Wert der mechanischen Güte des Wandlers (30) und τ dessen Periodendauer der Eigenresonanz und der vorgesehenen Wechselspannungs- (7)Anregung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Amplitude des Gleichspannungsimpulses (21) wenigstens 70% der Amplitude Uo beträgt, mit der die vorgesehene Auslenkung des eingeschwungenen Zustands erreicht wird.
7. Schaltung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 2 und mit einer maximalen Betriebsspannung U1, die gleich der Amplitude der vorgesehenen Wechselspannungsanregung ist, gekennzeichnet durch einen Überträger (46), an dessen Sekundärwicklung der Wandler (30) angeschlossen ist und dessen Primärwicklung in Reihe mit einem elektronischen Schalter (49) an -der Betriebsspannung U1 -liegte wobei für den Steuereingang des Schalters (49) ein Signal (134) vorgesehen ist, bei dem dem Impuls-Steuersignal (34) der Wechselspannungsanregung (7) mit der Periodendauer τ ein Langzeitim-' puls (234), mit etwa gleicher Amplitude-wie der des Steuersignals (34),mit einer Impulsdauer θ
Figure imgb0005
Qm τ vorangeht, wobei der Impulsanstieg (334) vergleichsweise zum Impuls-steuersignal (34) flach ist und worin Qm die mechanische Güte des Wandlers (30) ist.
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